《电子技术》课件-第8章

第8章门电路8.1二极管和三极管的开关特性8.2基本逻辑门电路8.3

TTL逻辑门电路8.4能力训练习题

集成逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑单元，因此了解各类逻辑门电路的基本特性对于合理选择和使用器件是十分必要的。本章简要介绍门电路中的二极管和三极管的工

作特性，以及TTL集成逻辑门电路的基本工作原理和主要外部特性。

用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电路称为门电路。常用的门电路有与门、非门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等。门电路中以高低电平来表示逻辑状态的“1”和“0”。

8.1二极管和三极管的开关特性

在客观世界中，没有理想开关，电子技术中常用开关二极管和开关三极管作为开关使用。8.1.1二极管的开关特性

1.静态开关特性二极管的伏安特性曲线如图8－1所示。其等效电路见图8－2、图8－3。图8－1二极管的伏安特性曲线图8－2二极管导通等效电路图8－3二极管截止等效电路

正向导通时，

UVD(ON)≈0.7V(硅)或0.3V(锗)，

RVD约为几欧姆到几十欧姆，相当于开关闭合；反向截止时，反向饱和电流极小，反向电阻很大，相当于开关断开。

2.动态开关特性

二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常，后者所需的时间要长得多。

3.二极管的开关参数

(1)最大正向电流:二极管正向导通电流的最大允许值，使用时不得超过这一数值。

(2)最高反向工作电压:二极管反向工作时所加反向电压的最大值。

(3)反向击穿电压:二极管在一定反向电流下的反向电压。在此电压下，认为二极管已被击穿。

(4)反向恢复时间:二极管从正向电流变化到反向电流一定值所需的时间。

8.1.2三极管的开关特性

1.静态开关特性

在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和与截止两种开关状态，如图8－4所示，放大区只是极短暂的过渡状态。

截止状态:发射结反偏，电流约为0。

饱和状态:发射结正偏，集电结正偏。图8－4三极管的开关等效电路

2.动态开关特性

在动态情况下，即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流ic

的变化将滞后于输入电压ui

的变化。

在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压uo

的变化也必然滞后于输入电压ui的变化，如图8－5所示。图8－5三极管的动态开关特性

3.晶体三极管的开关参数

(1)最大集电极电流ICM:iC

在相当大的范围内β值不变，但当ic

的数值大到一定程度时β值将迅速减小。使β值明显减小的iC

即为ICM

。

(2)极间反向击穿电压U(BR)CBO:发射极开路时集电极—基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。

8.2基本逻辑门电路

8.2.1三种基本门电路

1.与门最简单的与门可以用二极管和电阻构成，如图8－6所示图8－6与门电路及逻辑符号

设UCC=5V，

A、B输入端的高、低电平分别为UiH=3V，

UiL=0V，二极管VD1，VD2的正向导通压降UDF=0.7V。由图可见，

A、B中只要有一个是低电平0V

，则必有一个二极管导通，使Y=0.7V。只有A、B同时为高电平3V时，

Y才为3.7V。

若规定3V以上为高电平，用逻辑1表示，0.7V以下为低电平，用逻辑0表示，则可得如表8－1所示的与逻辑运算的真值表。

2.或门

最简单的或门也可以用二极管和电阻构成，如图8－7所示。图8－7或门电路及逻辑符号

设A、B输入端的高、低电平分别为UiH=3V，

UiL=0V，二极管VD1

，

VD2

的正向导通压降UDF

=0.7V。由图可见，

A、B中只要有一个是高电平，输出Y就是2.3V。只有A、B同时为低电平时，输出Y才是0V。

若规定2.3V以上为高电平，用逻辑1表示，

0V以下为低电平，用逻辑0表示，则可得如表8－2所示的或逻辑运算的真值表。

3.非门

最简单的非门可以用三极管和电阻构成，如图8－8所示。图8－8非门电路及逻辑符号

当A端输入电压Ui=0V时，三极管截止，输出电压Y=5V;当A端输入电压Ui=5V时，三极管导通，输出电压Y为低电平。因此，非逻辑运算的真值表如表8－3所示。

8.2.2DTL与非门

把一个电路中的所有元件，包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯片上，封装在一个管壳内，就是集成电路。早期的简单集成与非门电路称为二极管—三

极管逻辑门电路，简称DTL电路。DTL与非门的电路结构如图8－9所示。图8－9DTL与非门电路

DTL与非门电路的逻辑关系为:当三输入端都接高电平(即UA=UB=UC=5V时)，二极管VD1~VD3

都截止，而VD4

、VD5

和V导通。可以验证，此时三极管饱和，

Y=UCES=0.3V，即输出低电平;在三个输入端中只要有一个为低电平0.3V时，则阴极接低电平的二极管导通，由于二极管正向导通时的钳位作用，

UP=1V，从而使VD4

、VD5和V都截止，Y=UCC=5V，即输出高电平。

与非门的逻辑符号如图8－10所示。图8－10与非门逻辑符号

8.3TTL逻辑门电路

8.3.1TTL与非门的工作原理图8－11所示为TTL与非门的典型电路。其输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管—三极管逻辑电路(TransistorTransistorLogic)，简称TTL电路。该电路中输入端为多发射极的三极管，我们可以将其看做两个发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管，如图－12所示。图8－11TTL与非门电路图8－12多发射极三极管

8.3.2TTL与非门的外特性及有关参数

1.输入特性

在图8－11给出的TTL与非门电路中，如果仅仅考虑输入信号是高电平和低电平而不是某一个中间值的情况，可忽略V2

和V4

的b－c结反向电流以及R3

对V4

基极回路的影响，将输入端的等效电路画成如图8－13所示的形式。图8－13TTL与非门的输入端等效电路

当U

CC=5V，

ui

=UiL=0.2V时，输入低电平电流为:

当ui=UiH=3.4V时，

V1

管处于uBC>0，

uBE<0的状态。在这种工作状态下，相当于把原来的集电极c1

当作发射极使用，而把原来的发射极e1当作集电极使用了。我们把晶体管的这种状态称为倒置工作状态。倒置工作状态下三极管的电流放大系数βi极小(在0.01以下)，如果近似地认为βi

=0，则这时的输入电流只是be结的方向电流，所以高电平输入电流IiH

很小。

根据图8－13所示的等效电路可以画出输入电流随输入电压变化的曲线—输入特性曲线，如图8－14所示图8－14TTL与非门的输入特性

2.输出特性

1)高电平输出特性

根据前述工作原理，当uo=UoH时，图8－11电路中的V3

和VD3

导通，

V4

截止，输出端的等效电路可以画成图8－15所示的形式。由图可见，这时V3工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。在负载电流较小的范围内，负载电流的变化对UoH

的影响很小。图8－15高电平输出等效电路

随着负载电流iL

绝对值的增加，

R4

上的压降也随之加大，最终将使V4的b－c结变为正向偏置，

V4进入饱和状态。这时V4将失去射极跟随功能，因而UoH

随iL绝对值的增加几乎线性地下降。图8－16给出了74系列门电路在输出为高电平时的输出特性曲线。图8－16高电平输出特性

2)低电平输出特性

当输出为低电平时，门电路输出级的V5

饱和导通而V4

截止，输出端的等效电路如图8－17所示。

由于V5

饱和导通时c－e间的饱和导通内阻很小(通常在10Ω以内)，饱和导通压降很低(通常约0.1V)，所以负载电流iL

增加时输出的低电平UoL

仅稍有升高。图818是低电平输出特性曲线。图8－17低电平输出等效电路图8－18低电平输出特性曲线

以上以TTL与非门为例介绍了TTL门电路的外特性及有关参数，除此之外还有CMOS门电路，在此不再赘述，有兴趣的读者可参阅相关书籍和资料。

8.4能力训练

8.4.1集成与门集成与门芯片7408为双列直插式芯片，共14个引脚，其功能图如图8－19所示。图8－197408功能图

7408为4个2输入的与门芯片，其中14号引脚接电源，

7号引脚接地，其余引脚如图8－19所示，分别构成4个2输入的与门。

另外，还有3个3输入与门7411、双4输入与门7421等，引脚图及功能等可查阅相关资料，这里不再一一赘述。

8.4.2集成或门

集成或门芯片7432为双列直插式芯片，共14个引脚，其功能图如图8－20所示。

7432为4个2输入的或门芯片，其中14号引脚接电源，

7号引脚接地，其余引脚如图8－20所示，分别构成4个2输入的或门。图8－207432功能图

8.4.3集成反相器

集成反相器芯片7404为双列直插式芯片，共14个引脚，其功能图如图8－21所示。

7404为六反相器芯片，其中14号引脚接电源，

7号引脚接地，其余引脚如图8－21所示，分别构成6个非门。图8－217404功能图

8.4.4集成与非门

1.7400

集成与非门芯片7400为双列直插式芯片，共14个引脚，其功能图如图8－22所示。

7400为4个2输入的与非门芯片，其中14号引脚接电源，

7号引脚接地，其余引脚如图8－22所示，分别构成4个2输入的与非门。图8－227400功能图

2.7420

集成与非门芯片7420为双列直插式芯片，共14个引脚，其功能图如图8－23所示。

7420为双4输入与非门芯片，其中14号引脚接电源，

7号引脚接地，其余引脚如图8－23所示，分别构成2个4输入的与非门。

另外，还有3个3输入与非门7410、8输入与非门7430等，引脚图及功能等可查阅相关资料，这里不再一一赘述。图8－237420功能图

习题图8－24[题8.1]图

[题8.1]试画出图8－24中各个门电路输出端的电压波形。输入端A、B的电压波形如图中所示。